专利名称：一种采用氟里昂预冷的混合制冷剂天然气液化装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种天然气液化装置，尤其是涉及一种采用氟里昂预冷的小型混 合制冷剂天然气液化装置。
背景技术：
天然气是一种优质洁净的化石能源，天然气经液化后，其体积约为原来的1/625， 因而便于储存与运输。与管道气相比，液化天然气(LNG)在零散气田、边际气田的开发、煤 层气的利用、海上天然气的开发利用和海外天然气的引进方面，有着不可替代的作用。天然气液化有级联式制冷循环、混合制冷剂制冷循环和膨胀机制冷循环三种，其 中混合制冷剂循环(MRC)采用最为普遍，且系统的运行特性最复杂。国内许多大专院校都 展开了这方面的研究，并开展了天然气液化技术的教学和科研工作，但是建设实验室适用 的小型天然气液化装置却面临着一系列困难，如投资、供电、场地、操作维护等均受到很大 限制。如果采用小型制冷机作为天然气液化的冷源，虽然装置简单、占地面积小而且操作简 便，但是小型制冷机工作原理与工业上通常采用的天然气液化循环迥然不同，不能帮助学 生学习和掌握天然气液化循环的原理、装置和工作过程，无法取得理想的教学效果。
实用新型内容为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种天然气液化装置，通过常 用的制冷系统进行预冷并采用混合制冷剂对天然气进行冷却液化，其工作原理与工业上通 用的天然气液化循环装置基本相同，具有体积小、操作简单、成本低等特点。为达到上述目的，本实用新型提供了一种天然气液化装置，其包括预冷系统、混合 制冷剂循环系统和天然气输送管道，其特征在于所述混合制冷剂循环系统也可以称为低温循环系统或MRC循环系统，其包括一级 压缩机、一级空气冷却器(简称空冷器)、二级压缩机、二级空气冷却器、预冷换热器、低温 换热器、第一 J-T阀和第二 J-T阀，并且，所述预冷换热器中设有第一流道和第二流道，所述 低温换热器中设有第一流道、第二流道和第三流道；其中，一级压缩机、一级空气冷却器、二 级压缩机、二级空气冷却器、预冷换热器的第一流道、低温换热器的第三流道、第一 J-T阀、 低温换热器的第二流道依次连接并形成回路；所述预冷系统为氟里昂预冷系统，并且，该氟里昂预冷系统与所述预冷换热器的 第二流道相连接并形成回路；所述天然气输送管道依次与所述低温换热器的第一流道、所述第二 J-T阀连接。在本实用新型提供的天然气液化装置中，优选地，该天然气液化装置还包括一天 然气压缩系统，该天然气压缩系统包括一级天然气压缩机以及一级天然气空气冷却器，用 于对天然气进行压缩和空冷。当本实用新型提供的天然气液化装置还包括天然气压缩系统时，优选地，所述天 然气输送管道依次与所述天然气压缩系统的一级天然气压缩机、一级天然气空气冷却器、所述低温换热器的第一流道以及所述第二 J-T阀连接。在本实用新型提供的天然气液化装置中，优选地，所述一级天然气压缩机为活塞 式天然气压缩机或螺杆式天然气压缩机。在本实用新型提供的天然气液化装置中，优选地，所述天然气压缩系统还包括二 级天然气压缩机和二级天然气空气冷却器，用于对天然气进行二级压缩和二级空冷。在本实用新型提供的天然气液化装置中，当天然气压缩系统包括二级天然气压 缩机和二级天然气空气冷却器时，优选地，所述天然气输送管道依次与所述天然气压缩系 统的一级天然气压缩机、一级天然气空气冷却器、二级天然气压缩机、二级天然气空气冷却 器、所述低温换热器的第一流道以及所述第二 J-T阀连接。在本实用新型提供的天然气液化装置中，优选地，所述二级天然气压缩机为活塞 式天然气压缩机或螺杆式天然气压缩机。在本实用新型提供的天然气液化装置中，优选地，所述氟里昂预冷系统为蒸汽压 缩式制冷系统。更优选地，其可以是以制冷剂R407或R410为制冷剂的蒸汽压缩式制冷系统。本实用新型提供的天然气液化装置是一种采用氟里昂预冷的小型混合制冷剂天 然气液化装置。在混合制冷剂循环系统中，混合制冷剂在回路中循环流动，依次经过一级压 缩机、一级空气冷却器、二级压缩机、二级空气冷却器，进入预冷换热器的第一流道，在预冷 换热器中，混合冷剂被来自氟里昂预冷系统的制冷剂预冷；然后混合制冷剂进入低温换热 器的第三流道中，进一步被冷却，然后经过第一 J-T阀并被节流膨胀，温度进一步降低，并 进入低温换热器的第二流道中，提供冷量，用于冷却天然气并预冷第三流道中的混合冷剂； 离开第二流道之后，混合制冷剂沿管道回到一级压缩机，开始新的循环。在预冷系统中，氟里昂预冷系统与预冷换热器的第二流道连接并形成回路是指 氟里昂预冷系统的出口(从膨胀阀出来的管路出口)通过一条管道与预冷换热器的第二流 道的入口连接，然后再由另一条管道将第二流道的出口与氟里昂预冷系统的入口(回到冷 剂压缩机的入口管路)连接，从而形成一个封闭的回路，使(氟里昂)制冷剂(例如R407 或者R410制冷剂)通过管道进入预冷换热器的第二流道，并在预冷换热器中(蒸发)对混 合制冷剂循环系统的回路中的混合制冷剂进行预冷，然后(氟里昂)制冷剂沿管道回到氟 里昂预冷系统。预冷换热器在氟里昂预冷系统中起蒸发器的作用，由氟里昂预冷系统(例 如蒸汽压缩式制冷系统)得到的低温制冷剂(例如氟里昂液体)在预冷换热器中蒸发，并 提供冷量对来自二级空气冷却器的混合冷剂(即预冷换热器的第一流道的混合冷剂)进行 冷却。天然气输送管道依次与低温换热器的第一流道、第二 J-T阀连接，使在其中流动 的天然气在经过低温换热器时被冷却液化，在经过第二 J-T阀之后，输出为LNG产品。当输 送的天然气压力较高(绝对压力在eOOltfa以上)时，天然气可以直接进入低温换热器进行 冷却液化；当输送的天然气压力较低(绝对压力在600kPa以下)时，可以先利用天然气压 缩系统对天然气进行压缩和空冷，然后再进入低温换热器进行冷却液化；冷却之后获得的 液化天然气经过第二 J-T阀节流降压之后，输出为低温的LNG产品。本实用新型提供的上述天然气液化装置是一种小型的液化装置，适合于实验室中 使用，或者用于日常的教学。该天然气液化装置通过采用商业上成熟的氟里昂预冷系统作
4为预冷系统，因而采用该装置进行天然气液化时，可以采用以轻组分为主的混合制冷剂配 比，因而混合制冷剂在一级混合冷剂空气冷却器和二级混合冷剂空气冷却器出口均保持为 气态，避免了混合制冷剂流程中常见的气液分离，因而无需气液分离罐，也无需对液体冷剂 增加输送泵或单独配置节流阀，也无需检测、控制液位并采用液位保护措施，从而最大程度 地简化了流程，减少了设备。同时，本实用新型提供的天然气液化装置在实验室条件下实现了主流的混合制冷 剂天然气液化循环，其主要装置组成、工作原理以及运行特性均与工业装置十分相似，可以 较好地用于天然气液化技术的教学中，此外本装置也可以用于天然气液化装置运行特性的 实验研究。由于采用了氟里昂蒸汽压缩式制冷装置预冷混合制冷剂，可以将能耗控制在一 个较低的水平上，降低了对实验室供电的要求。采用本实用新型提供的上述天然气液化装 置可以在实验室中获得10-200L/h (液体)的LNG产量。
以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范 围。其中图1为实施例1所采用的天然气液化装置的结构示意图；图2为实施例2所采用的天然气液化装置的结构示意图；图3为实施例3所采用的天然气液化装置的结构示意图。附图标号说明一级压缩机、1 ；一级空气冷却器、2 ；二级压缩机、3 ；二级空气冷却器、4 ；预冷换热 器、5 ；低温换热器、6 ；第一 J-T阀、7 ；第二 J-T阀、8 ；氟里昂预冷系统、9 ；天然气输送管道、 10 ；一级天然气压缩机、11 ；一级天然气空气冷却器、12 ；二级天然气压缩机、13 ；二级天然 气空气冷却器、14。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现参照说明 书附图对本实用新型的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本实用新型的可实施 范围的限定。实施例1本实施例提供了一种天然气液化装置，其包括预冷系统、混合制冷剂循环系统和 天然气输送管道，其具体结构如图1所示混合制冷剂循环系统包括一级压缩机(一级混合制冷剂压缩机)1、一级空气冷却 器(一级混合制冷剂空气冷却器)2、二级压缩机(二级混合制冷剂压缩机)3、二级空气冷 却器(二级混合制冷剂空气冷却器)4、预冷换热器5、低温换热器(冷箱)6、第一 J-T阀(冷 剂J-T阀)7和第二 J-T阀(天然气J-T阀)8，并且，预冷换热器5中设有第一流道和第二 流道(如图1所示，上面的为第一流道，下面的为第二流道)，低温换热器6中设有第一流 道、第二流道和第三流道(如图1所示，由上到下依次为第一道、第二流道和第三流道)；其 中，一级压缩机1、一级空气冷却器2、二级压缩机3、二级空气冷却器4、预冷换热器5的第 一流道、低温换热器6的第三流道、第一 J-T阀7、低温换热器6的第二流道依次连接，第二流道的出口与一级压缩机1的入口连接，形成回路(冷剂回路)，这是一个封闭的回路，混合 制冷剂可以在该回路中循环流动；预冷系统为氟里昂预冷系统9，并且，该氟里昂预冷系统9与预冷换热器5的第二 流道相连接并形成回路，该回路同样是一个封闭的回路，制冷剂可以沿该回路在氟里昂预 冷系统9与预冷换热器5的第二流道之间循环流动；天然气输送管道10依次与低温换热器6的第一流道、第二 J-T阀8连接，以使天 然气在经过低温换热器6时被冷却。当采用本实施例提供的上述装置进行天然气的液化时，可以按照以下工艺进行在混合制冷剂循环系统中，所采用的混合制冷剂具有以下摩尔组成甲烷 50-58%、乙烯15-20%、丙烷1846 %、氮3_6 %，其组成可以根据装置的运行工况进行 调整；压力为M0-270kPa的混合冷剂首先由一级压缩机1压缩至1000-1500kPa，并由 一级空气冷却器2冷却至20-42°C (与环境温度有关)，然后再由二级压缩机3压缩至 2500-4500kPa，最后由二级空气冷却器4冷却至20_42°C (与环境温度有关)；从二级空气冷却器4出来的混合制冷剂仍为气态，进入预冷换热器5的第一流道 中被冷却至-15到-30°C，冷却所需的冷量由蒸汽压缩式制冷系统9提供，优选采用环保制 冷剂R407C或R410A的氟里昂蒸汽压缩式制冷系统；使来自制冷系统9的低温环保制冷剂 R407C或R410A通过预冷换热器5的第二流道，在预冷换热器5中进行换热，对预冷换热器 5的第一流道中的混合制冷剂进行预冷，同时环保制冷剂R407C或R410A自身被加热蒸发， 然后返回到蒸汽压缩式制冷系统9中的压缩机入口处；从预冷换热器5出来的混合制冷剂进入低温换热器6的第三流道作为热流体被进 一步冷却到-150°C至-160°C，然后经第一 J-T阀7(冷剂J-T阀)节流膨胀，温度进一步降 低；降温后的混合制冷剂返回低温换热器6的第二流道，作为冷流体提供冷却天然气以及 预冷混合制冷剂(第三流道中的)所需的冷量，使通过低温换热器6的第一流道的天然气 降温到-150°C至 _160°C ；原料天然气由天然气输送管道10输送入低温换热器6的第一流道，并在其中被冷 却液化，经过第二 J-T阀8节流之后，输出得到LNG产品。本实施例提供的天然气液化装置适合于对压力较高(绝对压力在600kPa以上) 的天然气进行液化。实施例2本实施例提供了一种天然气液化装置，其包括预冷系统、混合制冷剂循环系统、天 然气压缩系统和天然气输送管道，其具体结构如图2所示其中，上述天然气压缩系统包括一级天然气压缩机11和一级天然气空气冷却器 12，天然气输送管道10依次与一级天然气压缩机11、一级天然气空气冷却器12、低温换热 器6的第一流道和第二 J-T阀8连接，上述预冷系统以及混合制冷剂循环系统的结构和连 接关系与实施例1相同。当采用本实施例提供的上述装置进行天然气的液化时，原料天然气首先进入天然 气压缩系统进行单级压缩和空气冷却，由一级天然气压缩机11单级压缩至500-800kPa，并 由一级天然气空气冷却器12冷却至20-42°C (与环境温度有关)；然后由天然气输送管道 10输送入低温换热器6的第一流道，并在其中被冷却液化(冷却到-150°c至-160°c )，经过第二 J-T阀8节流之后，输出得到LNG产品；对于其他工艺步骤和工艺参数均可以参考实施例1中所提供的工艺。本实施例提供的天然气液化装置适合于对压力较低(绝对压力在600kPa以下) 的天然气进行液化。实施例3本实施例提供了一种天然气液化装置，其包括预冷系统、混合制冷剂循环系统、天 然气压缩系统和天然气输送管道，其具体结构如图3所示其中，上述天然气压缩系统为二级式压缩系统，其包括一级天然气压缩机11、一级 天然气空气冷却器12、二级天然气压缩机13和二级天然气压缩机14，天然气输送管道10 依次与一级天然气压缩机11、一级天然气空气冷却器12、二级天然气压缩机13、二级天然 气压缩机14、低温换热器6的第一流道和第二 J-T阀8连接，上述预冷系统以及混合制冷剂 循环系统的结构和连接关系与实施例1和2相同。当采用本实施例提供的上述装置进行天然气的液化时，原料天然气进入天然气压 缩系统进行二级式压缩和空冷，首先由一级天然气压缩机11压缩至500-8001tfa并由一级 天然气空气冷却器12冷却至20-42°C (与环境温度有关)，然后再由二级天然气压缩机13 压缩至1500-2500^ 并由二级天然气空气冷却器14冷却至20_42°C (与环境温度有关)；完成天然气压缩系统中的压缩和空冷之后的天然气由天然气输送管道10输送入 低温换热器6的第一流道，并在其中被冷却液化(冷却到_150°C至_160°C )，经过第二 J-T 阀8节流之后，输出得到LNG产品；对于其他工艺步骤和工艺参数均可以参考实施例1和2中所提供的工艺。以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对 本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术 方案进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型技术方案的精神和范围。
权利要求1.一种天然气液化装置，其包括预冷系统、混合制冷剂循环系统和天然气输送管道，其 特征在于所述混合制冷剂循环系统包括一级压缩机、一级空气冷却器、二级压缩机、二级空气冷 却器、预冷换热器、低温换热器、第一 J-T阀和第二 J-T阀，并且，所述预冷换热器中设有第 一流道和第二流道，所述低温换热器中设有第一流道、第二流道和第三流道；其中，一级压 缩机、一级空气冷却器、二级压缩机、二级空气冷却器、预冷换热器的第一流道、低温换热器 的第三流道、第一 J-T阀、低温换热器的第二流道依次连接并形成回路；所述预冷系统为氟里昂预冷系统，并且，该氟里昂预冷系统与所述预冷换热器的第二 流道相连接并形成回路；所述天然气输送管道依次与所述低温换热器的第一流道、所述第二 J-T阀连接。
2.如权利要求1所述的天然气液化装置，其特征在于，该天然气液化装置包括一天然 气压缩系统，该天然气压缩系统包括一级天然气压缩机以及一级天然气空气冷却器。
3.如权利要求2所述的天然气液化装置，其特征在于，所述天然气输送管道依次与所 述天然气压缩系统的一级天然气压缩机、一级天然气空气冷却器、所述低温换热器的第一 流道以及所述第二 J-T阀连接。
4.如权利要求2所述的天然气液化装置，其特征在于，所述一级天然气压缩机为活塞 式天然气压缩机或螺杆式天然气压缩机。
5.如权利要求2所述的天然气液化装置，其特征在于，所述天然气压缩系统还包括二 级天然气压缩机和二级天然气空气冷却器。
6.如权利要求5所述的天然气液化装置，其特征在于，所述天然气输送管道依次与所 述天然气压缩系统的一级天然气压缩机、一级天然气空气冷却器、二级天然气压缩机、二级 天然气空气冷却器、所述低温换热器的第一流道以及所述第二 J-T阀连接。
7.如权利要求5所述的天然气液化装置，其特征在于，所述二级天然气压缩机为活塞 式天然气压缩机或螺杆式天然气压缩机。
8.如权利要求1所述的天然气液化装置，其特征在于，所述氟里昂预冷系统为蒸汽压 缩式制冷系统。
专利摘要本实用新型涉及一种采用氟里昂预冷的混合制冷剂天然气液化装置。该装置包括预冷系统、混合制冷剂循环系统和天然气输送管道，混合制冷剂循环系统包括一级压缩机、一级空气冷却器、二级压缩机、二级空气冷却器、预冷换热器、低温换热器、第一J-T阀和第二J-T阀，预冷换热器设有第一流道和第二流道，低温换热器设有第一流道、第二流道和第三流道；一级压缩机、一级空气冷却器、二级压缩机、二级空气冷却器、预冷换热器的第一流道、低温换热器的第三流道、第一J-T阀、低温换热器的第二流道依次连接，形成制冷剂回路；预冷系统为氟里昂预冷系统，其与预冷换热器的第二流道相连接并形成回路；天然气输送管道依次与低温换热器的第一流道、第二J-T阀连接。
文档编号F25J1/02GK201915073SQ20102066997
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年12月20日
发明者孙恒, 舒丹, 马文华 申请人:中国石油大学(北京)